فرض کنید در برنامه‌ی خود «کیف پولی» را طراحی کرده‌اید که بر اساس آن، کاربر می‌تواند خرید کند. این کیف پول، از Id کاربر و موجودی فعلی او تشکیل میشود:
CREATE TABLE accounts (
user_id INTEGER PRIMARY KEY,
balance INTEGER NOT NULL
);
و برای مثال موجودی فعلی کاربر 1، مقدار 300 است:
INSERT INTO accounts(user_id, balance)
VALUES (1, 300);
اکنون کوئری‌های متداول زیر را که از یک read و سپس update تشکیل شده‌اند، درنظر بگیرید:
DECLARE @amount INT;
SET @amount = (
SELECT balance
FROM accounts
WHERE user_id = 1
);
SELECT @amount as 'balance'
UPDATE accounts
SET balance = @amount - 100
WHERE user_id = 1;
SELECT balance as 'balance after shopping'
FROM accounts
WHERE user_id = 1
- دو عمل read و سپس update صورت گرفته‌ی فوق، مربوط به یک درخواست خرید است.
- در اینجا مقدار متغیر amount در ابتدای کار، مساوی 300 است که مربوط به همان insert ابتدایی است.
- سپس از این مقدار در کوئری دومی (برای مثال حاصل از خرید شماره یک)، 100 واحد کم میشود (برای مثال قیمت کل خرید است).
- در این حالت نتیجه‌ی آن یا همان موجودی جدید کاربر، 200 خواهد بود.
معادل این عملیات در EF-Core چنین دستورات متداولی است:
var account1 = context.Accounts.First(x => x.UserId == 1);
account1.Balance -= 100;
context.SaveChanges();
سؤال: اگر کوئری‌های فوق را در یک برنامه‌ی ذاتا چند ریسمانی وب، دوبار به صورت همزمان اجرا کنیم، یعنی دو عمل خرید موازی را شبیه سازی کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ آیا موجودی نهایی اینبار برای مثال 100 میشود (با فرض 300 بودن موجودی ابتدایی)؟
پاسخ خیر است! و آن‌را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید:
در اینجا برای شبیه سازی اجرای موازی دو کوئری، از دستور
WAITFOR TIME استفاده شده‌است که برای برای آزمایش آن می‌توانید مقدار آن‌را به یک دقیقه بعد تنظیم کرده و سپس آن‌را در دو پنجره‌ی SQL server management studio اجرا کنید.
همانطور که مشاهده می‌کنید، با اجرای موازی این دو کوئری، یعنی دوبار خرید کردن همزمان،
100 واحد گم شده‌است ! به این مشکل همزمانی read و سپس update رخ داده، یک «race condition» گفته میشود و این روزها که مطالب منتشر شده‌ی از آسیب پذیری‌های برنامه‌های وب ایرانی را بررسی می‌کنم، این مورد در صدر آنها قرار دارد!
علت اینجا است که عموما برنامه نویس‌ها، برنامه‌های وب را در یک تک سشن باز شده‌ی توسط مرورگر خود آزمایش می‌کنند و در این حالت، همه چیز خوب است و اعمال آن به ترتیب پیش می‌روند. اما فراموش می‌کنند که میتوان قسمت‌های مختلف برنامه‌های وب را به صورت همزمان، موازی و چندباره نیز اجرا کرد؛ حتی اگر آن قسمت متعلق به یک کاربر باشد.
سؤال: آیا استفاده تراکنش‌ها این مشکل را حل نمی‌کنند؟!
عموما برنامه نویس‌ها تصور می‌کنند که می‌توانند تمام اینگونه مشکلات را با تراکنش‌ها حل کنند:
همانطور که مشاهده می‌کنید، اینبار هرچند هر دو عملیات خرید داخل BEGIN TRAN و COMMIT TRAN قرار گرفته‌اند، اما ... مشکل همزمانی هنوز پابرجا است! چون نوع پیش‌فرض تراکنش مورد استفاده، READ COMMITTED isolation level است و عدم دقت به آن ممکن است این تصور را ایجاد کند که با تعریف تراکنش‌ها، تمام مشکلات همزمانی برطرف میشوند.
راه‌حل‌های پیشنهادی جهت حل مشکل همزمانی عملیات read/update
برای حل مشکلات مرتبط با race condition و همزمانی درخواست‌های read/update، میتوان از یکی از روش‌های زیر استفاده کرد:
الف) بجای اینکه یکبار کوئری read و یکبار کوئری update به صورت جداگانه صادر شوند، فقط یکبار کوئری update داشته باشیم.
ب) پیاده سازی Row level locking؛ در صورت پشتیبانی بانک اطلاعاتی مورد استفاده از آن
ج) استفاده از تراکنش‌هایی از نوع SERIALIZABLE
د) پیاده سازی optimistic locking
این موارد را در ادامه با توضیحات بیشتری بررسی می‌کنیم.
الف) پرهیز از خواندن و به روز رسانی جداگانه
بجای اینکه مانند اعمال فوق، یکبار select داشته باشیم و یکبار update، بهتر است فقط یک دستور update بکارگرفته شود:
UPDATE accounts
SET balance = balance - 100
WHERE user_id = 1;
اینبار با خلاصه شدن دو دستور select و update به یک دستور update، دیگر پس از دو خرید همزمان، 100 واحد گم شده مشاهده نمی‌شود (!) و موجودی نهایی صحیح است.
ب) پیاده سازی Row level locking
همیشه امکان تغییر عملیات مورد نیاز، به سادگی حالت الف نیست. در یک چنین حالت‌هایی جهت حداقل شدن تغییرات مورد نیاز، میتوان از row level locking استفاده کرد:
WAITFOR TIME '13:47:00';
SET NOCOUNT, XACT_ABORT ON;
BEGIN TRAN;
DECLARE @amount INT;
SET @amount = (
SELECT balance
FROM accounts WITH (UPDLOCK, HOLDLOCK)
WHERE user_id = 1
);
SELECT @amount as 'initial user''s balance'
UPDATE accounts
SET balance = @amount - 100
WHERE user_id = 1;
SELECT balance as 'user''s balance after shopping 1'
FROM accounts
WHERE user_id = 1;
COMMIT TRAN;
در اینجا اضافه شدن WITH (UPDLOCK, HOLDLOCK) را به Select تعریف شده، مشاهده می‌کنید که به آنها locking hints هم گفته میشود و داخل BEGIN TRAN و COMMIT TRAN عمل می‌کنند (
که نوع پیش‌فرض آن READ COMMITTED isolation level است). کار UPDLOCK، تبدیل shared lock پیش‌فرض، به update lock است و کار HOLDLOCK، نگه داشتن قفل صورت گرفته تا پایان کار تراکنش تعریف شده‌است.
با این تغییرات، هر تراکنش همزمان دیگری، تا زمانیکه قفل صورت گرفته‌ی بر روی ردیف select، رها نشود (یعنی تا زمانیکه تراکنش قفل کننده، به COMMIT TRAN برسد)، نمی‌تواند آن‌را تغییر دهد. به همین جهت است که در تصویر فوق، هرچند هر دو عملیات همزمان اجرا شده‌اند، اما یکی موجودی ابتدایی 300 را می‌بیند و دیگری پس از صبر کردن تا پایان تراکنش و رها شدن قفل، موجودی تغییر یافته‌ی جدیدی را مشاهده کرده و از آن استفاده می‌کند. به این ترتیب دیگر 100 واحدی که در اولین تصویر این مطلب مشاهده کردید، گم نشده‌است.
ج) استفاده از تراکنش‌هایی از نوع SERIALIZABLE
بجای استفاده از روش row level locking یاد شده، روش دیگری را که میتوان استفاده کرد، تغییر نوع پیش‌فرض تراکنش مورد استفاده‌است. برای مثال اگر از یک SERIALIZABLE transaction استفاده کنیم؛ یعنی SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE را در ابتدای کار ذکر کنیم و برای مثال دو تراکنش همزمان را اجرا کنیم، اگر در تراکنش اول اطلاعاتی خوانده شود، در هیچ تراکنش دیگری نمی‌توان این اطلاعات خوانده شده را تا پایان کار تراکنش اول، تغییر داد:
د) پیاده سازی optimistic locking
پیاده سازی optimistic locking و یا Optimistic concurrency control عموما در سمت برنامه رخ می‌دهد و توسط ORMها زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد؛
مانند اضافه کردن ستون اضافی version و یا timestamp به جداول تعریف شده. در این حالت تمام updateها به همراه یک where اضافی هستند تا بررسی کنند که آیا version دریافتی در حین خواندن ردیف در حال به روز رسانی، تغییر کرده‌است یا خیر؟ اگر تغییر کرده‌است، تراکنش را با خطایی خاتمه خواهند داد. این روش برخلاف حالت‌های ب و ج، حتی خارج از یک تراکنش نیز کار می‌کند و مشکلات قفل کردن طولانی مدت رکوردها توسط آنها را به همراه ندارد.
